CN102844164A - 加工化学品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加工化学品从而改变其结构，并且特别是增大其溶解度和/或溶解速率的方法，以及由所述结构改变的材料制成的中间体和产品。所述方法中的许多方法提供了可以较容易地用在用于生产有用中间体和产品例如能源、燃料、食品或材料的反应或其它工艺中的材料。使用本文描述的工艺处理的化学品可以用来形成高度浓缩的溶液。处理可以改变化学品的官能度，并因此改变化学品的极性，这可以使经处理的化学品可溶于未经处理的化学品不溶或仅微溶或可部分地溶于其中的溶剂中。方法可以在一些情况下增大化学品在水或水性介质中的溶解度。所述化学品可以是例如固体、液体或凝胶，或其混合物。

Description

加工化学品
相关申请
本申请要求2010年5月24日提交的美国临时申请号61/347,705的优先权。这篇临时申请的全部公开内容据此以引用方式并入本文。
背景
化学品用在常用于生产其它中间体和产品的多种多样的反应和工艺中。化学品在溶剂中的溶解度和/或溶解速率可以影响其中使用该化学品的工艺或化学反应的速率和/或效率。因而，需要控制，例如增大，化学品的溶解度和/或溶解速率。
概述
一般而言，本发明涉及加工化学品从而改变其结构，特别是增大其溶解度和/或溶解速率的方法，以及由该结构改变的材料制成的中间体和产品。所述方法中的许多方法提供了可以较容易地用在用于生产有用中间体和产品如能源、燃料、食品或材料的反应或其它工艺中的材料。
在一些具体实施中，使用本文描述的工艺处理的化学品可以用来形成高度浓缩的溶液，例如浓度高于未经处理的化学品在相同条件下在相同溶剂中的饱和溶液的浓度的溶液。在一些情况下，处理改变化学品的官能度，并因而改变化学品的极性，所述极性可以例如使经处理的化学品可溶于未经处理的化学品不溶或仅微溶或可部分地溶于其中的溶剂中。例如，所述方法可以在一些情况下增大化学品在水或水性介质中的溶解度。所述化学品可以是例如固体、液体或凝胶，或其混合物。
一方面，本发明的特征在于一种增大化学品的溶解度的方法，其包括用选自由机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解以及蒸汽爆破(steam explosion)组成的组的物理处理来处理化学品，从而相对于化学品在物理处理之前的溶解度增大化学品的溶解度。
一些具体实施包括下列特征中的一个或多个。所述化学品可以选自由盐、聚合物和单体组成的组。物理处理可以是或包括例如利用电子束的辐照。在一些情况下，物理处理改变化学品的官能度。在辐照化学品的具体实施中，辐照可以包括向化学品施加总剂量为至少5毫拉德的辐射。
经物理处理的化学品可以具有比所述化学品在物理处理之前的结晶度低至少10%的结晶度。在一些情况下，化学品在物理处理之前的结晶度指数为约40%至约87.5%，而经物理处理的化学品的结晶度指数为约10%至约50%。
另一方面，所述方法的特征在于一种包含已经用选自由机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解和蒸汽爆破组成的组的物理处理进行处理的化学品的产品，所述产品的溶解度高于该化学品在物理处理之前的溶解度。
一些具体实施包括下列特征中的一个或多个。所述化学品可以选自由盐、聚合物和单体组成的组。在一些情况下，所述化学品已例如利用电子束进行辐照。所述产品可以具有与所述化学品在物理处理之前的官能度不同的官能度。在辐照化学品的具体实施中，所述化学品可以已用总剂量为至少30毫拉德的辐射进行辐照。经物理处理的化学品可以具有比所述化学品在物理处理之前的结晶度低至少10%的结晶度。在一些情况下，化学品在物理处理之前的结晶度指数为约40%至约87.5%，而经物理处理的化学品的结晶度指数为约10%至约50%。
溶解度和/或溶解速率的增大可能由材料的结构改性所引起。如本文使用的表达“从结构上改性”化学品意指以任何方式改变化学品的分子结构，包括化学品的化学键排列、晶体结构，或构象。所述改变可以是，例如，例如由晶体结构内的微破裂造成的晶体结构完整性的改变，其可能不能从材料结晶度的衍射测量结果反映出来。化学品结构完整性的此类改变可以通过测量经受不同水平的结构改性处理的产品的产率来间接地测量。另外地或替代地，分子结构的改变可以包括改变化学品的超分子结构、氧化化学品、改变平均分子量、改变平均结晶度、改变表面积、改变聚合度、改变孔隙率、改变支化度、接枝到其它材料上、改变晶畴(crystalline domain)尺寸，或改变整个畴尺寸。结构改性可以在一些情况下增大化学品的孔隙率、增大化学品与水形成氢键的能力，和/或将化学品分解成较小的分子。
除非另外限定，否则本文使用的所有技术和科学术语都具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。虽然下面描述了合适的方法和材料，但是与本文描述的那些类似或等效的方法和材料可以用于本发明的实践或测试中。本文提及的所有出版物、专利申请、专利以及其它参考文献都以引用的方式完整地并入本文。如果发生冲突，则以包括定义的本发明说明书为准。另外，所述材料、方法以及实施例仅为说明性的而不是要进行限制。
根据详细描述和权利要求书，本发明的其它特征和优点将变得明显。
附图描述
图1是示出化学品到产品和副产品的转化的方框图。
详细描述
使用本文描述的方法，可以加工化学品（例如，盐、聚合物、单体、药物、营养药品(nutriceutical)、维生素、矿物质、中性分子，以及其混合物）从而增大其溶解度和/或溶解速率。在一些情况下，经加工的化学品本身是成品，而在其它情况下，经加工的化学品可以用来生产有用的中间体和产品。可以使用本文描述的任何方法如机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆破中的一种或多种来处理或加工化学品。各种处理系统和方法可以与这些技术或本文和别处描述的其它技术中的两种、三种，或甚至四种组合使用。
这些处理将会增大经处理的化学品在溶剂中的溶解度，所述溶剂可以是例如水、非水性溶剂如有机溶剂，或其混合物。
用于处理化学品的系统
图1示出用于将化学品转化为有用中间体和产品的工艺10。工艺10包括任选地对化学品(12)进行初始的机械处理，例如通过碾磨或其它机械加工方法进行。然后用物理处理(14)如机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆破对所述化学品进行处理，从而例如通过弱化材料晶体结构中的键或者使材料晶体结构中的键微破裂来改性其结构。接着，在一些情况下可以对结构改性的化学品进行进一步的机械处理(16)。这种机械处理可以与初始的机械处理相同或不同。
然后，如果在进一步加工之前需要进一步的结构改变（例如，增大溶解度），则可以对所述化学品进行进一步的结构改性处理和机械处理。
接下来，可以用初级加工步骤18对经处理的化学品进行加工，例如将它溶解在溶剂中，以及在一些情况下，将它与其它化学品共混和/或使它与其它化学品反应，从而产生中间体和产品。在一些情况下，初级加工步骤的输出物直接可用，但是在其它情况下，初级加工步骤的输出物需要由后加工步骤(20)提供的进一步加工。后加工可以包括，例如，净化、分离、添加添加剂、干燥、固化以及其它工序。
在一些情况下，本文描述的系统，或其部件可以是便携式的，使得所述系统可以从一个场所运输（例如，通过铁路、卡车，或船舶）到另一个场所。本文描述的方法步骤可以在一个或多个场所执行，并且在一些情况下，所述步骤中的一个或多个可以在运输中执行。此种可移动式加工描述在美国专利号12/374,549和国际申请号WO2008/011598中，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
本文描述的方法步骤中的任一个或全部步骤可以在环境温度下执行。如果需要，则在某些步骤期间可以采用冷却和/或加热。例如，可以在机械处理期间冷却化学品以增加其脆性。在一些实施方案中，在初始的机械处理和/或后续的机械处理之前、期间或之后采用冷却。可以如12/502,629中描述的那样进行冷却，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
现进一步详细描述上述方法的各个步骤以及使用的化学品。
物理处理
物理处理工艺可以包括本文描述的任何物理处理工艺如机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆破中的一种或多种。处理方法可以是将这些技术中的两种、三种、四种，或甚至全部组合使用（以任何顺序）。当使用一种以上的处理方法时，所述方法可以在相同时间或不同时间运用。改变化学品的分子结构从而增大化学品的溶解度和/或溶解速率的其它工艺也可以单独地或与本文描述的工艺组合使用。
本文描述的处理中的许多破坏经处理化学品的晶体结构，随着结构无序程度的增加这会增大所述化学品的溶解度。其中的一些处理还增大化学品的表面积和/或孔隙率，这一般会增大所述化学品的溶解速率以及增大其溶解度。
机械处理
在一些情况下，方法可以包括对化学品进行机械处理。机械处理包括例如切割、研磨、冲压、碾磨、剪切以及切碎(chopping)。研磨可以包括例如球磨、锤磨、转子/定子干式或湿式研磨，或其它类型的研磨。其它机械处理包括例如石材碾磨(stone grinding)、裂化(cracking)、机械割裂(ripping)或撕裂(tearing)、销棒碾磨(pin grinding)或空气摩擦研磨(air attrition milling)。
机械处理可以有利地用于“打开”、“加应力于”、碎裂和粉碎化学品，使化学品更易发生断链和/或结晶度降低，以及在一些情况下在被辐照时更易受到氧化。
在一些情况下，化学处理可以包括化学品的初始准备，例如通过切割、碾磨(grinding)、剪切、磨粉(pulverizing)或切碎进行。替代地或者另外地，可以首先用其它物理处理方法如化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解或蒸汽爆破中的一种或多种对化学品进行物理处理，然后对化学品进行机械处理。这个顺序是有利的，因为用其它处理方法如辐照或热解中的一种或多种处理的化学品往往具有更大的脆性，因而可能较容易通过机械处理进一步改变所述化学品的分子结构。
对化学品进行机械处理的方法包括例如研磨(milling)或碾磨。研磨可以使用例如锤式研磨机、球式研磨机、胶体研磨机、圆锥形或圆锥研磨机、盘式研磨机、刃研磨机(edge mill)、Wiley研磨机，或谷物研磨机(grist mill)进行。碾磨可以使用例如石材碾磨机(stonegrinder)、销棒碾磨机(pin grinder)、咖啡碾磨机，或毛刺研磨机(burrgrinder)进行。碾磨可以例如通过使销棒或其它元件作往返运动来提供，在销棒研磨机中正是这种情况。其它机械处理方法包括机械割裂或撕裂、向化学品施加压力的其它方法，以及空气摩擦研磨。合适的机械处理进一步包括改变化学品分子结构的任何其它技术。
机械处理系统可以经配置用于使经处理的化学品具有特定的形态特征如，例如，表面积、孔隙率以及堆积密度。增大化学品的表面积和孔隙率一般将会增大化学品的溶解度和溶解速率。
在一些实施方案中，经机械处理的化学品的BET表面积大于0.1m2/g，例如大于0.25m2/g、大于0.5m2/g、大于1.0m2/g、大于1.5m2/g、大于1.75m2/g、大于5.0m2/g、大于10m2/g、大于25m2/g、大于35m2/g、大于50m2/g、大于60m2/g、大于75m2/g、大于100m2/g、大于150m2/g、大于200m2/g，或甚至大于250m2/g。
经机械处理的化学品的孔隙率可以例如大于20%、大于25%、大于35%、大于50%、大于60%、大于70%、大于80%、大于85%、大于90%、大于92%、大于94%、大于95%、大于97.5%、大于99%，或甚至大于99.5%。
在一些实施方案中，在机械处理之后，所述化学品的堆积密度小于0.25g/cm3，例如为0.20g/cm3、0.15g/cm3、0.10g/cm3、0.05g/cm3或更小，例如0.025g/cm3。堆积密度使用ASTM D1895B测定。简言之，所述方法涉及在已知体积的量筒中装入样品以及获取所述样品的重量。通过将以克为单位的样品重量除以以立方厘米为单位的量筒的已知体积来计算堆积密度。
在一些情形下，希望制备低堆积密度的材料，使所述材料密实（例如从而使得将所述材料运输至另一场地较为容易并且花费较低），然后使所述材料恢复到较低的堆积密度状态。密实化材料可以用本文描述的任何方法进行加工，或者用本文描述的任何方法加工的任何材料都可以随后加以密实化，例如，如美国专利号12/429,045和WO2008/073186中公开的，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
辐射处理
一种或多种辐射加工顺序可以用来加工化学品，以及可以用来提供相对于辐照前的化学品具有增大的溶解度和/或溶解速率的结构改性的化学品。辐照可以例如降低化学品的分子量和/或结晶度。辐射也可以杀灭化学品，或加工化学品所需的任何介质中的细菌。
在一些实施方案中，使用沉积在从其原子轨道释放电子的材料中的能量辐照化学品。辐射可以由下列提供：(1)重带电荷粒子如α粒子或质子，(2)例如在β衰变或电子束加速器中产生的电子，或(3)电磁辐射，例如γ射线、x射线，或紫外线。在一种途径中，可以使用由放射性物质产生的辐射辐照化学品。在另一种途径中，可以使用电磁辐射（例如，使用电子束发射器产生的电磁辐射）辐照化学品。在一些实施方案中，可以利用(1)至(3)的以任何顺序执行的任何组合，或者(1)至(3)的同时执行的任何组合。施加的剂量取决于需要的效果和特定化学品。
在一些实施例中，当需要断链和/或需要聚合物链官能化时，可以利用比电子重的粒子，如质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。当需要开环断链时，可以利用带正电荷粒子，因为其具有用于增强开环断链的路易斯酸性质。例如，当需要最大程度的氧化时，可以利用氧离子，而当需要最大程度的消化时，可以利用氮离子。重粒子和带正电荷粒子的使用描述在美国专利号12/417,699中，所述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。
在一种方法中，例如通过用电离辐射（例如，γ辐射、X射线辐射、100nm至280nm紫外(UV)线、电子束或其它带电荷粒子束形式的电离辐射）处理来辐照具有第一数均分子量(MN1)的第一化学品，从而提供具有第二数均分子量(MN2)的第二化学品，第二数均分子量低于第一数均分子量。第二化学品（或第一和第二化学品）可以用作最终产品或者可以被进一步加工以生产中间体或产品。
因而第二化学品具有相对于第一化学品降低的分子量，以及在一些实施例中，还具有降低的结晶度，所以第二化学品显示出相对于第一化学品较大的溶解度和/或较高的溶解速率。这些性质可以使第二化学品较容易加工以及在一些情况下具有更强的反应性，这可以大大提高所需产品的生产率和/或生产水平。
在一些实施方案中，第二数均分子量(MN2)比第一数均分子量(MN1)低超过约10%，例如超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%，或甚至超过约75%。
在一些实施例中，辐照使化学品的结晶度降低，例如，超过约10%，例如超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%，或甚至超过约50%。
在一些实施方案中，起始结晶度指数（在辐照前）为约40%至约87.5%，例如，约50%至约75%或约60%至约70%，而辐照之后的结晶度指数为约10%至约50%，例如，约15%至约45%或约20%至约40%。然而，在一些实施方案中，例如，在广泛的辐照之后，可以获得低于5%的结晶度指数。在一些实施方案中，所述材料在辐照之后基本上是无定形的。
在一些实施方案中，起始数均分子量（在辐照前）为约200,000至约3,200,000，例如，约250,000至约1,000,000或约250,000至约700,000，而在辐照后的数均分子量为约50,000至约200,000，例如，约60,000至约150,000或约70,000至约125,000。然而，在一些实施方案中，例如在广泛的辐照之后，可以获得低于约10,000或甚至低于约5,000的数均分子量。
在一些实施方案中，第二化学品可以具有比第一化学品的氧化水平(O1)高的氧化水平(O2)。化学品的较高氧化水平可以进一步增大其溶解度/或溶解速率。在一些实施方案中，为了增大氧化水平，在氧化环境下，例如，在一层空气或氧气下进行辐照。在一些情况下，第二化学品与第一化学品相比可以具有更多的羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基团，这些基团可增大亲水性并因而增大在水或水性介质中的溶解度。
电离辐射
每种形式的辐射均经由如通过辐射能量确定的特定相互作用使含碳材料电离。重带电荷粒子主要经由库仑(Coulomb)散射使物质电离；此外，这些相互作用产生可进一步使物质电离的高能电子(energetic electron)。α粒子与氦原子的核相同并且由各种放射性核的α衰变产生，所述的各种放射性核为，例如，铋的同位素、钋、砹、氡、钫、镭、几个锕系元素，如锕、钍、铀、镎、锔、锎、镅以及钚。
当利用粒子时，其可以是中性（不带电荷）、带正电荷或带负电荷的粒子。当带电荷时，带电荷的粒子可以带有单个正电荷或负电荷，或多个电荷，例如一个、两个、三个或甚至四个或更多电荷。在需要断链的实施例中，带正电荷的粒子可能是需要的，这是部分地由于其酸性性质。当利用粒子时，所述粒子可以具有静止电子(resting electron)的质量，或者具有比静止电子的质量高，例如高出500、1000、1500、2000、10,000或甚至100,000倍的质量。例如，所述粒子的质量可以为约1原子单位至约150原子单位，例如，约1原子单位至约50原子单位，或约1amu至约25amu，例如1amu、2amu、3amu、4amu、5amu、10amu、12amu，或15amu。用于加速粒子的加速器可以是静电DC、电动DC、RF连续、磁感应线性或连续波。例如，回旋型加速器可以得自IBA,Belgium，如
Figure BDA00002230939900101
system，而DC型加速器可以得自RDI，即现在的IBA Industrial，如
Figure BDA00002230939900102
离子和离子加速器讨论在Introductory Nuclear Physics,Kenneth S.Krane,John Wiley&Sons,Inc.(1988),Krsto Prelec,FIZIKA B 6(1997)4,177-206,Chu,William T.,“Overview of Light-Ion Beam Therapy”Columbus-Ohio,ICRU-IAEA Meeting,18-20March 2006,Iwata,Y.等，“Alternating-Phase-Focused IH-DTL for Heavy-Ion MedicalAccelerators”Proceedings of EPAC 2006,Edinburgh,Scotland andLeaner，C.M.等，“Status of the Superconducting ECR Ion SourceVenus”Proceedings of EPAC 2000,Vienna,Austria中。
γ辐射的优点是在多种材料中具有显著的穿透深度。γ射线源包括放射性核，如钴、钙、锝、铬、镓、铟、碘、铁、氪、钐、硒、钠、铊以及氙的同位素。
x射线源包括电子束与诸如钨或钼或合金的金属靶的碰撞，或紧凑型光源，例如由Lyncean商业化生产的那些。
紫外辐射源包括氘或镉灯。
红外辐射源包括蓝宝石、锌，或硒化物窗陶瓷灯。
微波源包括速调管、Slevin型RF源，或采用氢气、氧气，或氮气的原子束源。
在一些实施方案中，电子束用作辐射源。电子束的优点是高剂量率（例如，1毫拉德/秒、5毫拉德/秒，或甚至10毫拉德/秒)、高通量、受到的约束较少(less containment)，以及对设备的限制较小(lessconfinement equipment)。电子还可以更有效地引起断链。另外，具有4-10MeV能量的电子的穿透深度可以为5mm至30mm或更大，如40mm。
电子束可以例如由静电发电机、级联发电机、变压器发电机、具有扫描系统的低能量加速器、具有线性阴极的低能加速器、线性加速器以及脉冲加速器产生。作为电离辐射源的电子可能对于例如材料的相对薄，例如，小于0.5英寸，例如，小于0.4英寸、0.3英寸、0.2英寸，或小于0.1英寸的部分有用。在一些实施方案中，电子束的每个电子的能量为约0.3MeV至约2.0MeV（百万电子伏），例如，约0.5MeV至约1.5MeV，或约0.7MeV至约1.25MeV。
电子束辐射设备可以商购自Ion Beam Applications、Louvain-la-Neuve、Belgium或Titan Corporation,San Diego,CA。典型的电子能量可以为1MeV、2MeV、4.5MeV、7.5MeV，或10MeV。典型的电子束辐照设备功率可以为1kW、5kW、10kW、20kW、50kW、100kW、250kW，或500kW。化学品的解聚水平取决于使用的电子能量和施加的剂量，而暴露时间取决于功率和剂量。典型的剂量可以采用1kGy、5kGy、10kGy、20kGy、50kGy、100kGy，或200kGy的值。
离子粒子束
可以使用比电子重的粒子。例如，可以利用质子、氦核、氩离子、硅离子、氖离子、碳离子、磷离子、氧离子或氮离子。在一些实施方案中，比电子重的粒子可以诱导较高量的断链（相对于较轻的粒子而言）。在一些实施例中，与带负电荷的粒子相比，带正电荷的粒子由于其酸性而可以诱导较高量的断链。
较重粒子束可以例如使用线性加速器或回旋加速器产生。在一些实施方案中，较重粒子束的每个粒子的能量为约1.0MeV／原子单位至约6,000MeV／原子单位，例如，约3MeV／原子单位至约4,800MeV/原子单位，或约10MeV／原子单位至约1,000MeV／原子单位。
在某些实施方案中，离子束可以包括一种以上的类型的离子。例如，离子束可以包括两种或多种（例如，三种、四种或更多种）不同类型的离子的混合物。示例性混合物可以包括碳离子和质子、碳离子和氧离子、氮离子和质子，以及铁离子和质子。更一般地说，可使用上述任何离子（或任何其它离子）的混合物来形成辐照离子束。特别地，可以在单一离子束中使用相对轻和相对较重的离子的混合物。
在一些实施方案中，用于辐照材料的离子束包括带正电荷的离子。带正电荷的离子可以包括例如带正电荷的氢离子（例如，质子）、惰性气体离子（例如，氦、氖、氩）、碳离子、氮离子、氧离子、硅原子、磷离子，以及金属离子如钠离子、钙离子，和/或铁离子。不希望受任何理论束缚，据信，此类带正电荷的离子在暴露于材料中时在化学上表现为路易斯酸部分，由此引发并维持在氧化环境中的阳离子开环断链反应。
在某些实施方案中，用于辐照材料的离子束包括带负电荷的离子。带负电荷的离子可以包括，例如，带负电荷的氢离子（例如，氢负离子），和各种相对电负性核的带负电荷的离子（例如，氧离子、氮离子、碳离子、硅离子以及磷离子）。不希望受任何理论束缚，据信，此类带负电荷的离子在暴露于材料中时在化学上表现为路易斯碱部分，由此导致在还原环境中的阴离子开环断链反应。
在一些实施方案中，用于辐照材料的束可以包括中性原子。例如，氢原子、氦原子、碳原子、氮原子、氧原子、氖原子、硅原子、磷原子、氩原子以及铁原子中的任一种或多种可以包括在射束中。一般来说，上述类型的原子中的任何两种或更多种（例如，三种或更多种，四种或更多种，或甚至更多种）的混合物可以存在于射束中。
在某些实施方案中，用于辐照材料的离子束包括带单电荷的离子,如H+、H-、He+、Ne+、Ar+、C+、C-、O+、O-、N+、N-、Si+、Si-、P+、P-、Na+、Ca+以及Fe+中的一种或多种。在一些实施方案中，离子束可以包括带多个电荷的离子，如C2+、C3+、C4+、N3+、N5+、N3-、O2+、O2-、O2 2-、Si2+、Si4+、Si2-以及Si4-中的一种或多种。一般来说，离子束也可以包括带有多个正电荷或负电荷的较复杂多核离子。在某些实施方案中，借助多核离子的结构，正电荷或负电荷可以有效地分布在该离子的基本整个结构上。在一些实施方案中，正电荷或负电荷可以局部地分布于该离子的结构的部分上。
电磁辐射
在利用电磁辐射执行辐照的实施方案中，电磁辐射的每个光子能量（以电子伏特为单位）可以，例如，大于102eV，例如，大于103eV、104eV、105eV、106eV，或甚至大于107eV。在一些实施方案中，电磁辐射的每个光子能量在104eV和107eV之间，例如在105eV和106eV之间。电磁辐射的频率可以，例如，大于1016hz、大于1017hz、1018hz、1019hz、1020hz，或甚至大于1021hz。在一些实施方案中，电磁辐射的频率可以在1018hz和1022hz之间，例如，在1019hz至1021hz之间。
化学品的淬灭和受控官能化
在用电离辐射处理后，经处理的化学品可以被电离；即，所述化学品可以包括其水平可利用电子自旋共振光谱仪检测到的自由基。如果离子化化学品仍在大气中，则所述化学品将通过与大气氧反应而被氧化，例如氧化至产生羧酸基团的程度。此种氧化是需要的，因为它可帮助进一步减小化学品的分子量，并且氧化基团如羧酸基团可能对溶解度有帮助。然而，因为自由基可以在辐照后“留存”一段时间，例如，长于1天、5天、30天、3个月、6个月或甚至长于1年，所以材料性质可以继续随着时间的推移而改变，这在一些实施例中可能是不需要的。
电离后，可以淬灭已离子化的任何材料从而降低离子化材料中的自由基水平，例如，使得该自由基不再能利用电子自旋共振光谱仪检测到。例如，可以通过向离子化材料中施加足够的压力，和/或通过利用与离子化材料接触的流体如与自由基反应（淬灭自由基）的气体或液体来淬灭自由基。使用至少对自由基的淬灭有帮助的气体或液体，可以用来以所需量和种类的官能团对离子化材料进行官能化，所述官能团为例如羧酸基、烯醇基、醛基、硝基、腈基、氨基、烷基氨基、烷基、氯代烷基或氯氟烷基。
官能化可以改变化学品的极性，化学品的极性一般会影响化学品的溶解度，例如，极性增大一般将会使化学品在极性溶剂中的溶解度增大。例如，不同官能团展示出不同的氢键化程度和净偶极矩，以及电负性原子数目。例如，醛基具有大偶极矩，因而相对而言是极性的，具有产生氢键的能力的胺和醇也是如此。羧酸是最具极性的官能团，因为其可以广泛地产生氢键，具有偶极矩，并且包括两个电负性原子。
在一些实施方案中，淬灭包括向离子化材料施加压力，例如，通过直接机械地在一维、二维或三维上压制材料，或者向所述材料浸渍在其中的流体施加压力，例如通过等静压制进行。在此类实施例中，材料自身的变形产生自由基，该自由基经常被捕集在晶畴中，所述晶畴足够接近，使得所述自由基可以重新组合或与另一种基团反应。在一些实施例中，压力的施加与热量，例如足够量的热量的施加一起进行，从而将材料的温度升高至超过所述材料或所述材料组分的熔点或软化点。热量可以提高材料中的分子流动性，这可帮助淬灭自由基。当利用压力淬灭时，所述压力可以大于约1000psi，如大于约1250psi、1450psi、3625psi、5075psi、7250psi、10000psi或甚至大于15000psi。
在一些实施方案中，淬灭包括使离子化材料与流体接触，所述流体为例如液体或气体，例如能够与自由基反应的气体，如乙炔或乙炔在氮气中的混合物、乙烯、氯化乙烯或氯氟乙烯、丙烯或这些气体的混合物。在其它特定实施方案中，淬灭包括使离子化材料与液体，例如能够透入材料中并且与自由基反应的液体如二烯，如1,5-环辛二烯接触。在一些特定实施方案中，淬灭包括使离子化材料与抗氧化剂如维生素E接触。如果需要，则化学品可以包括分散在其中的抗氧化剂。
可以通过利用重带电荷离子，如本文描述的任何较重离子来增强官能化。例如，如果需要增强氧化，则可以利用带电荷氧离子来进行辐照。如果需要氮官能团，则可以利用包括氮的氮离子或阴离子。同样，如果需要硫或磷基团，则可以在辐照中使用硫或磷离子。
剂量
在一些实施例中，以大于约0.25毫拉德/秒，例如大于约0.5毫拉德/秒、0.75毫拉德/秒、1.0毫拉德/秒、1.5毫拉德/秒、2.0毫拉德/秒，或甚至大于约2.5毫拉德/秒的剂量率进行辐照。在一些实施方案中，以介于5.0千拉德/小时和1500.0千拉德/小时之间，例如，介于10.0千拉德/小时和750.0千拉德/小时之间，或介于50.0千拉德/小时和350.0千拉德/小时之间的剂量率进行辐照。
在一些实施方案中，进行辐照（利用任何辐射源或源的组合进行辐照）直至材料接收至少0.1毫拉德、至少0.25毫拉德，例如，至少1.0毫拉德、至少2.5毫拉德、至少5.0毫拉德、至少10.0毫拉德、至少60毫拉德，或至少100毫拉德的剂量。在一些实施方案中，进行辐照直至材料接收约0.1毫拉德至约500毫拉德、约0.5毫拉德至约200毫拉德、约1毫拉德至约100毫拉德，或约5毫拉德至约60毫拉德的剂量。在一些实施方案中，施加相对低剂量的辐射，例如低于60毫拉德的辐射。
超声处理
超声处理可以降低化学品的分子量和/或结晶度，并由此增大化学品的溶解度和/或溶解速率。超声处理还可以用来杀灭化学品和/或加工化学品所需的任何介质中的细菌。
在一种方法中，将具有第一数均分子量(MN1)的第一化学品分散在诸如水的介质中，并进行超声处理和/或以其它方式空化(cavitated)，从而提供具有第二数均分子量(MN2)的第二化学品，第二数均分子量低于第一数均分子量。
在一些实施方案中，第二数均分子量(MN2)比第一数均分子量(MN1)低超过约10%，例如，超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%，或甚至超过约75%。
在一些实施例中，第二化学品的结晶度(C2)低于第一化学品的结晶度(C1)。例如，(C2)可以比(C1)低超过约10%，例如，超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%，或甚至超过约50%。
在一些实施方案中，起始结晶度指数（在超声处理前）为约40%至约87.5%，例如，约50%至约75%或约60%至约70%,而在超声处理后的结晶度指数为约10%至约50%，例如，约15%至约45%或约20%至约40%。然而，在某些实施方案中，例如，在广泛的超声处理之后，可以获得低于5%的结晶度指数。在一些实施方案中，所述材料在超声处理之后基本上是无定形的。
在一些实施方案中，起始数均分子量（在超声处理前）为约200,000至约3,200,000，例如，约250,000至约1,000,000或约250,000至约700,000，而超声处理后的数均分子量为约50,000至约200,000，例如，约60,000至约150,000或约70,000至约125,000。然而，在一些实施方案中，例如在广泛的超声处理之后，可以获得低于约10,000或甚至低于约5,000的数均分子量。
在一些实施方案中，第二化学品可以具有比第一化学品的氧化水平(O1)高的氧化水平(O2)。在一些实施方案中，为了相对于第一化学品增大第二化学品的氧化水平，在氧化介质中进行超声处理。在一些情况下，第二化学品可以具有更多的羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基团，这些基团可增大其亲水性。
在一些实施方案中，超声处理介质是水性介质。如果需要，所述介质可以包括氧化剂，如过氧化物（例如，过氧化氢）、分散剂和/或缓冲剂。分散剂的实例包括离子型分散剂如月桂醇硫酸酯钠，和非离子型分散剂如聚(乙二醇)。
在其它实施方案中，超声处理介质是非水性介质。例如，超声处理可以在烃如甲苯或庚烷，醚如二乙醚或四氢呋喃，或甚至在液化气体如氩气、氙气或氮气中进行。
一般优选化学品至少在超声处理之前不溶于超声处理介质。
热解
一种或多种热解加工顺序可以用来增大化学品的溶解度和/或溶解速率。热解也可以用来杀灭化学品和/或加工化学品所需的任何介质中的细菌。
在一个实例中，例如通过在管式炉中（在存在或不存在氧气的情况下）加热具有第一数均分子量(MN1)的第一化学品来使所述第一化学品热解，从而提供具有第二数均分子量(MN2)的第二化学品，第二数均分子量低于第一数均分子量。
在一些实施方案中，第二数均分子量(MN2)比第一数均分子量(MN1)低超过约10%，例如，超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%、50%、60%，或甚至超过约75%。
在一些实施例中，第二化学品的结晶度(C2)低于第一化学品的结晶度(C1)。例如，(C2)可以比(C1)低超过约10%，例如，超过约15%、20%、25%、30%、35%、40%，或甚至超过约50%。
在一些实施方案中，起始结晶度指数（在热解前）为约40%至约87.5%，例如，约50%至约75%或约60%至约70%,而在热解后的结晶度指数为约10%至约50%，例如，约15%至约45%或约20%至约40%。然而，在某些实施方案中，例如，在广泛的热解之后，可以获得低于5%的结晶度指数。在一些实施方案中，所述材料在热解之后基本上是无定形的。
在一些实施方案中，起始数均分子量（在热解前）为约200,000至约3,200,000，例如，约250,000至约1,000,000或约250,000至约700,000，而热解后的数均分子量为约50,000至约200,000，例如，约60,000至约150,000或约70,000至约125,000。然而，在一些实施方案中，例如在广泛的热解之后，可以获得低于约10,000或甚至低于约5,000的数均分子量。
在一些实施方案中，第二化学品可以具有比第一化学品的氧化水平(O1)高的氧化水平(O2)。在一些实施方案中，为了增大氧化水平，在氧化环境下进行热解。在一些情况下，第二材料与第一材料相比可以具有更多的羟基、醛基、酮基、酯基或羧酸基团，由此增大所述材料的亲水性。
在一些实施方案中，热解是连续的。在其它实施方案中，使所述化学品热解预定的时间，然后在再次热解之前让所述化学品冷却第二预定的时间。
氧化
一种或多种氧化加工顺序可以用来增大化学品的溶解度和/或溶解速率。
在一种方法中，例如通过在空气流或富含氧气的空气流中加热具有第一数均分子量(MN1)并具有第一氧含量(O1)的第一化学品来氧化所述第一化学品，从而提供第二化学品，其具有第二数均分子量(MN2)并具有高于第一氧含量(O1)的第二氧含量(O2)。
第二化学品的第二数均分子量一般低于第一化学品的第一数均分子量。例如，可以将所述分子量降低到与如上面针对其它物理处理方法讨论的程度相同的程度。也可以将第二材料的结晶度降低到与如上面针对其它物理处理方法讨论的程度相同的程度。
在一些实施方案中，第二氧含量比第一氧含量高出至少约5%，例如，高出7.5%、高出10.0%、高出12.5%、高出15.0%或高出17.5%。在一些优选的实施方案中，第二氧含量比第一氧含量高出至少约20.0%。通过使样品在于1300°C或更高温度下运转的炉中热解来经由化学分析测量氧含量。合适的元素分析仪为具有VTF-900高温热解炉的LECO CHNS-932分析仪。
一般地，材料的氧化发生在氧化环境中。例如，可以通过在氧化环境中，例如在空气或富集在空气中的氩气中的热解来实现或促进氧化。为了促进氧化，可以在氧化之前或氧化期间将各种化学试剂如氧化剂、酸或碱加入到化学品中。例如，可以在氧化之前加入过氧化物（例如过氧化苯甲酰）。
一些氧化方法采用芬顿(Fenton)-型化学。此类方法公开在例如美国专利号12/639,289中，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
示例性氧化剂包括过氧化物如过氧化氢和过氧化苯甲酰，过硫酸盐如过硫酸铵、活化形式的氧如臭氧，高锰酸盐如高锰酸钾，高氯酸盐如高氯酸钠以及次氯酸盐如次氯酸钠（家用漂白剂）。
在一些情形下，在接触期间将pH维持在约5.5或以下，如介于1和5之间、介于2和5之间、介于2.5和5之间或介于约3和5之间。氧化条件也可以包括介于2小时和12小时之间，例如，介于4小时和10小时之间或介于5小时和8小时之间的接触时间。在一些实施例中，将温度维持在300°C或以下，例如，维持在250°C、200°C、150°C、100°C，或50°C或以下。在一些实施例中，所述温度基本上保持为环境温度，例如在20-25°C下或约为20-25°C。
在一些实施方案中，例如通过原位生成臭氧来将所述一种或多种氧化剂作为气体施加，所述原位成生臭氧通过用粒子束如电子束通过空气辐照所述材料来实现。
在一些实施方案中，所述混合物进一步包括一种或多种氢醌，如2,5-二甲氧基氢醌(DMHQ)，和/或一种或多种苯醌，如2,5-二甲氧基-l,4-苯醌(DMBQ)，其可以促进电子转移反应。
在一些实施方案中，所述一种或多种氧化剂通过电化学方法原位生成。例如，过氧化氢和/或臭氧可以在接触容器或反应容器内通过电化学方法产生。
用于增溶或官能化的其它工艺
本段落中的任何工艺都可以在不存在本文描述的任何工艺的情况下单独使用，或者可以与本文描述的任何工艺组合使用（以任何顺序）：蒸汽爆破、化学处理（例如，酸处理（包括用无机酸如硫酸、盐酸及有机酸如三氟乙酸进行的浓缩和稀释酸处理）和/或碱处理（例如，用石灰或氢氧化钠处理））、UV处理、螺旋挤压处理（参见，例如，2008年11月17日提交的美国专利申请号61/115,398）、溶剂处理（例如，用离子液体处理），以及冷冻研磨（参见例如美国专利号12/502,629）。
中间体和产品
在一些情况下，经处理的化学品本身是成品，例如具有改进的溶解度和/或溶解速率的盐或聚合物。在其它情况下，使用初级加工方法和/或后加工，可以将经处理的化学品转化为一种或多种产品，例如能源、燃料、食品和材料。如果化学品的组分的溶解度增大，则可以更有效地制备和/或使用多种多样的产品。仅几个实例包括用于油漆、油墨和涂料中的粘合剂和/或颜料，用于食品中的成分，以及用于药物中的成分。
可通过利用经物理处理的化学品的反应或工艺制造的产品的具体实例包括，但不限于，氢气，醇（例如，一元醇或二元醇，如乙醇、正丙醇或正丁醇），例如含有多于10%、20%、30%，或甚至多于40%的水的水化或含水醇，糖，生物柴油，有机酸（例如，乙酸和/或乳酸），烃，副产品（例如，蛋白质，如纤维素分解蛋白（酶）或单细胞蛋白），以及这些产品中的任何产品的混合物，其中所述这些产品中的任何产品可以任何方式组合或具有任何相对浓度，并任选地与任何添加剂例如燃料添加剂组合。其它实例包括羧酸如乙酸或丁酸，羧酸盐，羧酸与羧酸盐和羧酸酯（例如，甲酯、乙酯和正丙酯）的混合物，酮，醛，α,β不饱和酸如丙烯酸，以及烯烃如乙烯。其它醇和醇衍生物包括丙醇、丙二醇、1,4-丁二醇、1,3-丙烷二醇、这些醇中的任何醇的甲酯或乙酯。其它产品包括丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、乳酸、丙酸、丁酸、琥珀酸、3-羟基丙酸、所述的任何酸的盐，以及所述的任何酸和相应盐的混合物。
包括食品和药物产品在内的其它中间体和产品描述在美国专利号12/417,900中，其全部公开内容以引用的方式并入本文。
化学品
待处理化学品可以例如是下列任何物质中的一种或多种：盐、聚合物、单体、药物、营养药品、维生素、矿物质、中性分子，或这些物质中的任何物质的混合物。
盐可以包括，例如，下列阳离子中的任一种：铵、钙、铁、镁、钾、吡啶鎓、季铵以及钠，以及下列阴离子中的任一种：乙酸根、碳酸根、氯离子、柠檬酸根、氰离子(cyanide)、氢氧根、硝酸根、亚硝酸根、氧离子(oxide)、磷酸根以及硫酸根。所述盐可以是例如电解质。
聚合物包括天然和合成聚合物。所述聚合物可以是在物理处理之前可溶于水的极性巨大分子，例如，聚(丙烯酸)、聚(丙烯酰胺)或聚乙烯醇，或者在物理处理之前可溶于非极性溶剂的非极性聚合物或表现出低极性的聚合物，例如，聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(氯乙烯)，或聚(异丁烯)。聚合物的实例包括胶乳、丙烯酸类(acrylics)、聚氨酯、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯以及聚酰胺。
其它实施方案
已经描述了本发明的许多实施方案。但是，应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。
例如，虽然可能在一个物理场所执行本文描述的全部工艺，但是在一些实施方案中，所述工艺在多个场地完成，和/或可以在运输期间执行。
因此，其它实施方案落在所附权利要求书的范围内。

Claims (16)

1.一种增大化学品的溶解度的方法，所述方法包括用选自由机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解以及蒸汽爆破组成的组的物理处理来处理所述化学品，从而相对于所述化学品在物理处理之前的溶解度增大所述化学品的溶解度。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述化学品选自由盐、聚合物以及单体组成的组。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述物理处理包括辐照。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述物理处理改变所述化学品的官能度。
5.如权利要求3所述的方法，其中辐照包括将所述化学品暴露于电子束。
6.如权利要求3所述的方法，其中辐照包括向所述化学品施加总剂量为至少5毫拉德的辐射。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述经物理处理的化学品具有比所述化学品在物理处理之前的结晶度低至少10%的结晶度。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述化学品在物理处理之前的结晶度指数为约40%至约87.5%，而所述经物理处理的化学品的结晶度指数为约10%至约50%。
9.一种包含已用选自由机械处理、化学处理、辐射、超声处理、氧化、热解以及蒸汽爆破组成的组的物理处理进行处理的化学品的产品，所述产品的溶解度高于所述化学品在物理处理之前的溶解度。
10.如权利要求9所述的产品，其中所述化学品选自由盐、聚合物以及单体组成的组。
11.如权利要求9所述的产品，其中所述化学品已被辐照。
12.如权利要求9所述的产品，其中所述产品具有与所述化学品在物理处理之前的官能度不同的官能度。
13.如权利要求11所述的产品，其中所述化学品已通过将所述化学品暴露于电子束来进行辐照。
14.如权利要求11所述的产品，其中所述化学品已用总剂量为至少5毫拉德的辐射进行辐照。
15.如权利要求9所述的产品，其中所述经物理处理的化学品具有比所述化学品在物理处理之前的结晶度低至少10%的结晶度。
16.如权利要求9所述的产品，其中所述化学品在物理处理之前的结晶度指数为约40%至约87.5%，而所述经物理处理的化学品的结晶度指数为约10%至约50%。
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